用於數字調製的系統和方法

2023-07-16 04:37:46

專利名稱：：用於數字調製的系統和方法用於數字調製的系統和方法
技術領域：
本公開總體上涉及數字調製技術，並且更具體地涉及用於功率放大和傳輸的系統和方法。
背景技術：
：數字調製的基本功能^1信號功率放大，即功率放大器。功率放大器增益等於輸出功率與輸入功率的比率。有很多種功率放大器，如此多種類的原因是性能參數比如實現筒單性、失真(非線性特性)、功率效率以及濾波需求等的折中。理想的選擇是在功率放大器輸出級具有兩級負載驅動器，如果能夠將其集成到矽晶片內，則可提供功率效率、無失真、簡單濾波需求以及筒單實現。D類放大器除了僅能在低頻下工作之外，符合該理想的解決方案，如最高達20kHz帶寬的高功率音頻放大器。D類放大器用模擬電路構造，因此它具有高失真。M帶到特定載波頻率的上轉換是射頻發射機中眾所周知的功能。傳統上，這通過將基帶信號乘以載波頻率信號的非線性過程來實現。這種轉換使用具有非線性特性的混頻器和振蕩器。該非線性特性過程增加了諧波以及其它寄生噪聲。由於轉換造成的分級，過濾掉諧波是有可能的，但帶內噪聲將與信號一起保留下來。在上轉換過程中有兩種設計方法單級和兩級。單級方法的問M載波頻率漏控，因此通常不使用單級方法。第二種是兩級上轉換過程，其中首先將該處理轉換到中頻(IF)，然後將IF轉換到載波頻率。與非線性過程的兩^f目比，這對濾波和IF頻率選擇的要求更高，以使帶內噪聲最小。當將功率放大器的非線性算進來時，發射機過程具有來自三個非線性源的帶內噪聲。這種傳統電路的另一問題是每一個基帶到載波頻率的轉換(根據選擇的頻率)要求唯一的設計，以便避免由為實現期望結果所需的頻率的特定增加和減少所導致的諧波和其它寄生信號。因此該問題導致每種產品設計每次都是唯一的，因此在引入每種新產品時都要耗費工程設計精力。
發明內容本發明涉及允許利用功率放大，結合在同一過程中用上轉換器改變中心頻率以將基帶信號變換成載波頻率的信號，來對輸入信號進行功率放大的系統和方法。這因此提供了高功效且有很少或沒有線性問題的數字實現方式，即一種適合矽晶片以及寬帶操作的技術。在一個實施例中，每個輸入樣^L替換成同一採樣間隔內的多個子樣本，子樣本的總權重等於被替換的樣本。該樣本到子樣本的過程改變了採樣信號的頻率響應，並減小了負載驅動器的振幅動態範圍，從而簡化了用於數模轉換的濾波需求，同時減小了負載驅動器的線性需求。該過程可通過產生寬帶操作的數字電路來實現。前面已經相當寬泛地概述了本發明的特徵和技術優勢，以便更好地理解隨後的本發明的詳細描述。本發明的附加特徵和優勢將在下文中描述，其形成本發明的權利要求的主題。本領域的普通技術人員應理解，所公開的構思和特定實施例可以容易地被利用作為修改或設計用於實現與本發明相同的目的的其它結構的基礎.本領域的普通技術人員還應認識到，這種等同結構並不背離如所附權利要求中所提及的本發明的精神和範圍。當結合附圖考慮時，根據以下的描述將更容易理解相信是關於其組織結構和操作方法都是本發明所獨有的新穎特徵以及另外的目的和優勢。然而，應清楚地理解，每個附圖是僅為說明和描述的目的而提供，並非意在作為對本發明的限制的定義。為了更徹底地理解本發明，現在參考結合附圖的以下描述，在附圖中圖l圖示了利用本發明構思的系統的功率放大器實施例；圖2圖示了利用本發明構思的系統的發射器實施例；圖3圖示了採樣信號的時間和頻率關係；圖4是採樣間隔內的樣本和子樣本關係的圖示；圖5A、5B、5C示出了針對放大器的樣本值選擇圖和結果頻率響應的一個示例；以及圖6A和6B示出了針對發射器的樣本值選擇圖和結果頻率響應的一個示例。具體實施方式功率放大過程涉及多個級。如果輸入信號尚未被數位化，則第一級是數位化輸入信號。第二級是樣本到子樣本轉換器，其涉及由採樣間隔內的子樣本波形來替換每個輸入樣本。每個採樣間隔內的子樣本波形的權重等於被替換的樣本的採樣振幅水平。最後一級是詠衝的放大，其不需要線性設備。最高效的脈衝放大器是ON/OFF開關。第二實施例是利用數字電路的單級載波頻率上轉換。如果與第一實施例耦合，則該過程很簡單。換句話說，可以進行脈衝放大到載波ON/OFF放大。在另一實施例中，載波頻率針對不同應用而變化，或針對總帶寬被劃分成具有不同載波頻率的多個信道的同一頻分多路復用(FDM)應用而變化。本發明可以通過僅僅改變栽波頻率振蕩器來適應這種應用。不需要重新設計調製器。另外的需求是載波頻率與採樣頻率的比率必須是整數，該整數可利用可編程鎖相環分頻器自動計算出來。圖1圖示了利用本發明構思的系統的放大器的實施例10。在所示出的配置中，系統10是調製器，其用於基本上使用五個數字模塊以便調製基帶輸入信號並進行放大，從而驅動負載。iUL個模塊為輸入數位化模塊13、子採樣波形發生器ll、時鐘15、調製信號發生器的量值控制模塊12以及負載驅動器16。輸入數位化模塊13涉及基帶信號，該基帶信號為模擬形式，並由模數(A/D)轉換器13轉換成數字表示，所^數(A/D)轉換器13以公知方式操作。所述轉換是一串N位(量化的)的數字樣本字，每個字指示在採樣時刻的輸入信號振幅。該字格式是代表振幅的n-l位二進位編碼以及作為符號位的一位，N為每個樣本的總位數。對每個數字樣本字進行串_並轉換，即一個字中的所有位在同一時間作為輸出出現並在每個採樣間隔被更新。N的大小由噪聲需求、採樣頻率以及載波頻率濾波需求來確定。樣本到子樣本的轉換功能用每個採樣間隔內的子樣本時間波形來替換每個數字字。該過程分兩個級來進行；第一級是子樣本值波形生成，第二級是產生調製的數位訊號。波形發生器11基於每個子樣本的多個可能值，可以具有從2到N-l個輸出。如果輸出為2，則子採樣間隔是採樣間隔的一半。作為示例，一個輸出模式(pattern)在笫一子採樣間隔中可以為"l"，隨後是"0"。另一輸出可以是"O"，1^是"1"。在該上下文中，"l"指在所述間隔內出現脈衝，而"O"表示沒有。注意，所述波形彼此正交.隨著輸出數目的增加，所^式有更多的選擇。為筒單起見，以下描述假定輸出數目為N-1，除非另有聲明。當輸出數目為N-l時，模式值可以匹配樣本字中的每個數字位，即，每個輸出中的數"l，，可以是l，2,3，......或2(1^2)。所述波形由每個釆樣間隔內的複本唯一模式(replicauniquepattern)構成。例如，最低有效位的值為1,因此對應的子樣本波形的值為l，並且在每個採樣間隔中都有複本，等等。由於要求波形間正交，因此每個採樣間隔內的子採樣間隔的數目必須大於或等於2(^1)，如圖4所示。針對波形之間的相同相移，在該說明書中所提供的示例使用每採樣間隔中子採樣間隔數目為2N。因此值為l的子樣本波形具有兩個脈衝，這兩個脈衝在採樣間隔的中心線的兩側被均勻地隔開。針對每個波形的唯一模式的選擇基於帶內和帶外頻率響應。帶內頻率響應基於針對所有振幅的一致頻率響應。帶外頻率響應基於帶外信號衰減。圖5A是*沈明N-30或數字字為30的示例的圖，其中每個樣本周期具有子採樣間隔。該圖假定每個子採樣間隔內的子樣本值為0.5或0。總共有4個子樣本波形，針對每個樣本周期其值為1，2，4和8。通過增加帶有符號位的一個或多個波形，波形值可以以1的增量>^-15增加到15。由於所述波形彼此正交，因此這可以實現。圖5B顯示出，圖5A所示的波形的歸一化頻率響應幾乎等於高達採樣頻率的±45%。原因是波形模式的選擇U於針對不同樣本值的一致帶內頻率響應的準則。為了表示樣本值l，子樣本值設置在從中心線數第九個子樣本時隙的兩側，等等.圖5C示出了在寬頻鐠範圍內從1至15級的子樣本波形的歸一化頻率響應。所述歸一化基於峰值級，即15。這是用於使帶外信號最小的另一種模式選擇。在該示例中，實現了在第一至第三採樣頻率範圍內的15dB衰減，其簡化了濾波需求。該頻諳示意圖顯示出，數字樣本調製信號在基帶具有低通頻率響應。在對帶外信號進行濾波後可再現原始信號。通過組合波形發生器11和輸入數位化裝置13的輸出來產生數字調製信號(如圖2所示)。由于波形發生器11的輸出已經基於輸入數位化裝置13的每個位，因此所需要的就是將具有相同值的波形發生器11和輸入數字轉換器13的每個輸出進行"與"(AND)門操作(通過門12-1)。例如，最^T效位應與最低值波形進行"與"操作等等。"與"門的輸出將是波形或者零。換句話說，如果最低有效位被稱為波形，則輸出是值l波形。如果不是，則沒有波形或波形為零值。數字調製信號的振幅是"或"門12-2的輸出，其所有輸入來自所有"與，，門。該振幅波形與從串-並轉換器13-2提供的+或-符號位進行"與，，操作(經由門12-3)，以便提供正和負振幅的數字調製信號。負載驅動器16是放大器的輸出級，其將數字調製信號傳遞給負載。該負栽驅動器16由兩個電流路徑構成.路徑16-4和16-1將正信號傳遞給負載，而i^16-5和16-2基於變壓器繞組方向來傳遞負信號。^16-4和16-5是受數字調製信號控制的ON/OFF開關。如果有要傳遞的脈衝，則一個開關將被閉合，另一個將打開。當沒有要傳遞的脈沖時，兩個開關都將是打開的。一旦電流在變壓器中流動，其將傳遞功率給次級繞組16-3以及負栽。負載驅動器16是極其高功效的，這意味著消^負載驅動器中的功率佔輸出功率的很小部分。這是由於開關電晶體和變壓器在操作中不消擬艮多能量。當開關打開時，不消耗功率，因此功率消耗是輸出功率的一部分。所以，非線性不是個問題。時鐘電路15有兩個時鐘，即採樣和子釆樣時鐘。這兩個時鐘之間的關係是子採樣時鐘是採樣時鐘的整數倍。對於寬帶操作，該時鐘電路優選地是與矽集成晶片分離的模塊，從而使得該晶片可以用於任何頻率。關于波形發生器輸出埠的數目，以上描述是基於N-4個輸出埠。一個缺點是使用了高的子樣本時鐘頻率。通過減少輸出埠的數目，子樣本時鐘頻率每次將減小一半。參考圖5A，讓我們假定將輸出埠從4減少到3。最高波形值8將被去除。然而，由於優選結果^1使數字調製信號的振幅相同，例如以1的增量從-15增加到15。下表示出了將如何獲得15級。該表指示有兩個脈衝值，即0,5和1。這可以由兩個負載驅動器來處理，其中一個輸出是另一個的功率的兩倍。tableseeoriginaldocumentpage10圖2示出了這裡所討論的構思被用作發射器的一個實施例。設置時鐘電路15，使得子樣本時鐘是載波頻率的兩倍，每個子樣本時鐘間隔等於載波波形的半周期.由於這個原因，採樣頻率的選擇基於栽波頻率。這不同於放大器實施方式，在放大器實施方式中，樣本頻率是主要的確定因子。圖1的放大器和圖6的發射器之間的主要不同在於增加了混頻器14。混頻器14將基帶信號變換成是子樣本時鐘頻率一半的栽波頻率。利用圖5A所示出的子樣本波形，並且使奇數時隙內的值相同而偶數時隙內的值為負，結果在圖6A中示出。將圖5A中的子樣本波形轉換成圖6A中的子樣本波形是混頻器14的功能。通過將信號有效地乘以正弦替符號的功能。該實施方式由用於正數字調製信號(DMS)的混頻器14-1和14-2以及用於負DMS的混頻器14-3和14-4構成。混頻器14-1杏lL選出奇數時隙正DMS波形，混頻器14-2挑選出偶數時隙正DMS波形。該配置通過混頻器14-3和14-4對負DMS波形重複以上4iMt。"或"門14-5和14-6將來自"與，，門14-1和14-3以及14-2和14-4的奇數和偶數時隙波形分別組合。"或"門14-5的奇數時隙輸出連接到正負載驅動器，而"或"門14-6的偶數時隙輸出連接到負負載驅動器。圖6B示出了子樣本波形的從1至15級並歸一化到最高級即15的歸一化頻率響應。可以看出，"^值功率是採樣頻率15倍的頻率。帶外信號在採樣頻率的13至14倍的頻率範圍內衰減15dB。設計移動碼分多址(CDMA)發射器卯0MHz系統的示例在下面的圖表1中示出。載波頻率範圍是824至836.5MHz。該頻率內的信道數目為10。信道帶寬為1.25MHz。圖表l中示出了中心栽波頻率。tableseeoriginaldocumentpage11與所述頻率範圍相比，最小採樣速率是該範圍的一半，例如6.25MHz。子間隔的數目為824.625/6.25~256。採樣頻率為6.44238MHz，栽波頻率為644238x128=824.62446MHz.信噪比等於9位(128級振幅+1個符號位+用於過採樣的1位)。圖表2示出了採樣頻率。tableseeoriginaldocumentpage12圖4是採樣間隔內的子樣本的一個實施例的說明。每個採樣間隔被分成M個等間距的子採樣間隔，且每個子採樣間隔將發送一個子樣本值。優選的是具有兩級子樣本值，例如1或0。然而，該調製方案可以支持多級子樣本值。全部子樣本值的和等於樣本值.通過使用該方法，支持這些樣本所必需的電路的動態範圍基本上減小了例如N，其中N為一個採樣周期內的子採樣間隔的數目。注意，樣本值的表示具有兩個尺度，即子樣本值的量值和子樣本值的密度。這允許由數字電路進行載波調製信號生成。注意，所述輸入信號可以是輸入端131(圖3)上的模擬信號，或者可以是輸入端132上的數位訊號或量化的數位訊號。另外，所述信號可以是串行的(如在輸入端132所示)或並行的(如在端子133-1至133-N所示)。載波頻率可以內置於設備中，或者可以通過輸入端，比如輸入端130來獲得。所述符號位經由端子134提供。儘管已經詳細描述了本發明及其優點，但是也應理解，在不背離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以在此進行各種變化、替換和替選。而且，本申請的範圍並非意在受限於說明書中所描述的過程、設備、產品、物質組成、裝置、方法和步驟的具體實施例。如任何一個本領域普通技術人員將容易地從本發明的公開中理解的那樣，根據本發明，可以使用目前存在的或者以後將開發的、基本執行與這裡所描述的對應實施例相同的功能或基本實現相同的結果的過程、設備、產品、物質組成、裝置、方法或步驟。因此，所附權利要求意在將此類過程、設備、產品、物質組成、裝置、方法或步驟包括在其範圍內。權利要求1.一種功率放大器，包括用於接收待放大的基帶信號的裝置；以及用於將所述接收的基帶信號的中心頻率數字地上轉換成調製載波信號的裝置，所述上轉換包括利用採樣頻率將所述接收的輸入信號的樣本生成為採樣間隔內的子樣本。2.如權利要求l所述的功率放大器，還包括模擬門；並且其中所述調製載波信號的輸出功率至少部分地由被允許通過所述模擬門的所述載波信號的半周期的數目來確定。3.如權利要求2所述的功率放大器，還包括輸出級，包括由具有相反定相繞組的變壓器來驅動的負載調製器。4.如權利要求3所述的功率放大器，其中所述採樣頻率確定功率輸出。5.如權利要求3所述的功率放大器，還包括混頻器，用於將所逸基帶信號變換成載波頻率，所述載波頻率是所述子樣本時鐘頻率的一半。6.—種調製載波信號的方法，所述方法包括從基帶輸入信號生成數字量化信號，所述數字量化信號在每個並行信號樣本中有M位加上一個符號位；以遞增的有效位次序、利用使用正交編碼模式的權重編碼來加權每個樣本的所述M位；將每個數字量化信號部分劃分成多個等間距的子樣本，其中所述子樣^和等於相應樣本部分的值；將所ii^權位結合到數字調製信號內；以及利用所述數字調製信號以及所述符號位來調製所述基帶輸入信號的子樣本，以得到輸出調製信號.7.如權利要求6所述的方法，其中所述交替符號位針對每個相繼的並行樣W正到負進行交替.8.如權利要求7所述的方法，其中所述載波信號具有至少500MHz的頻率。9.如權利要求8所述的方法，還包括將所逸基帶信號轉換成載波頻率，所述載波頻率是所述子樣本時鐘頻率的一半。10.—種調製電路，包括用於將輸入信號轉換成數字量化信號的電路，所述數字量化信號在每個樣本中具有M位加上一個符號位；用於針對所述輸入信號建立正交編碼模式的電路，所i^式在採樣間隔內針對每個信號樣本具有多個等間距的子樣本；門電路，用於以遞增的有效位次序來加權每個所述M個並行位；利用所述門電路結合每個所述樣本的所述符號位，將所述正交編碼信號門控成數字調製信號DMS;以及負栽電路，用於將所述DMS信號的正和負符號部分結合成單個輸出信號。11.如權利要求10所述的調製器，其中所述輸出信號的輸出功率至少部分地根據允許通過所述門的所述輸入信號的半周期的數目來確定。12.如權利要求ll所述的調製器，其中所t故大器為D類放大器，且其中所述載波為單頻。13.—種發射器，包括用於接收基帶信號的電路；用於將所述接收的基帶信號的中心頻率數字地上轉換成調製栽波信號的電路，所述上轉換包括使用採樣頻率來將所述接收的基帶信號的樣本生成為採樣間隔內的子樣本；至少一個模擬門；並且其中所述調製栽波信號的輸出功率至少部分地根據允許通過所述模擬門的所述載波信號的半周期的數目來確定。14.如權利要求13所述的發射器，還包括輸出級，包括由具有相>^定相繞組的變壓器來驅動的負載調製器。15.如權利要求14所述的發射器，其中所述採樣頻率確定功率輸出。16.如權利要求15所述的發射器，還包括混頻器，用於將所逸基帶信號變換成載波頻率，所述栽波頻率是所述子樣本時鐘頻率的一半。17.如權利要求13所述的發射器，其中所i^L射器為碼分多址CDMA發射器。18.如權利要求17所述的發射器，具有824至836.5MHz的載波頻率範圍，1.25MHz的信道帶寬，並且具有10個信道，採樣頻率為6.44238MHz。全文摘要本發明涉及用於數字調製的系統和方法，並且更具體地涉及一種允許利用功率放大，結合在同一過程中用上轉換器改變中心頻率以將基帶信號變換成載波頻率的信號，來對輸入信號進行功率放大的系統和方法。這因此提供了高功效且有很少或沒有線性問題的數字實現方式，即一種適合矽晶片以及寬帶操作的技術。在一個實施例中，每個輸入樣本被替換成同一採樣間隔內的多個子樣本，子樣本的總權重等於被替換的樣本。該樣本到子樣本的過程改變了採樣信號的頻率響應，並減小了負載驅動器的振幅動態範圍，從而簡化了用於數模轉換的濾波需求，同時減小了負載驅動器的線性需求。該過程可通過產生寬帶操作的數字電路來實現。文檔編號H03F3/217GK101277282SQ20081008881公開日2008年10月1日申請日期2008年3月28日優先權日2007年3月30日發明者彼得·埃爾·關·喬申請人:最優創新公司